第5章 电路级设计与仿真

第5章 电路级设计与仿真电路设计技术是EDA 技术的核心和基础。

电路设计可以分为数字电路、模拟电路、常规电路和集成电路。

现代EDA 与传统的电路CAD 相比其主要区别是比较多地依赖于电路描述语言，常用的电路描述语言有描述模拟电路的SPICE （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ）语言，描述数字电路的硬件描述语言。

弄清电路结构形式与语言的关系以及各种语言的基本功能是学习EDA 技术非常重要的环节，这也是本章的主要目的所在。

本章将从最基本的数学和物理模型出发，引入程序化模型，介绍模拟电路与仿真、数字电路与仿真。

从一般的设计原理上讲，常规电路与集成电路并没有本质的区别，本章采用的例子主要以常规电路为主，其基本设计原理也同样适合于相应的集成电路，关于集成电路设计将在后续章节中详细介绍。

5.1模拟电路模型与SPICE 程序5.1.1 模拟电路模型电路的物理模型是指利用电路元件（如：电阻、电容、电感等无源元件，三极管、集成电路等有源元件）按照一定的电路连接方式进行连接的图形描述方法。

其中电路元件是器件的物理模型，器件模型的建立以及器件的连接是按照电学参数和基本电路功能的描述为依据的。

这种电路的物理模型也叫做等效电路模型，也就是我们常说的电路。

电路的物理模型是一种简化了的直观的电路图，可以十分方便地反映电路的连接关系和基本功能，但是这个模型并不能进行直接分析，如果要对电路进行分析，还需要建立电路的数学模型。

电路数学模型是根据电路的物理模型和电路分析原理得到的电路行为特性及各参数之间的数学关系。

我们在《电路分析原理》中已经建立起这样的概念，这个概念是基于一些基本的电路定律和基本定理，例如基尔霍夫定律、叠加定理、代文宁定理、欧姆定律等。

基尔霍夫定律：； 0in 1k k =∑=0v n1k k =∑=欧姆定律：V=IR对于特定的电路，这些定律和定理构成了电路中物理参数之间的特定关系，这种特定关系是约束电路的基本数学模型。

不同的元件具有不同的参数运算或转换关系，这种关系如表5-1所示，这是一些最基本和最简单的元件及其数学模型，复杂元件的数学模型也是由这些简单的元件按照功能需求组成的。

因此，描述模拟电路的数学模型是微分方程或代数方程。

《电路分析基础》课程就是在建立了这些电路模型的基础上对电路进行分析，不论是建立电路模型或者是分析运算，电路分析是在基于电压、电流的等效模型进行的。

表5-1 电路元件及其数学描述 电路元件 符号 物理模型 数学模型(VI 关系)Rv = R·i Ci = C·dv/dt v = L t ·di/d v = v s , i 电阻电容电感 L电压源 Vs103电流源 Is i = is, v = ?电压控制电压源 VCVS vs = A V · v c, i = ?电压控制电流源 VCCS i s = G T · v c, v = ?电流控制电压源 CCVS vs = R T · i c, i = ?电流控制电流源 CCCS is = A I · i c, v = ?《电路分析基础》课程的电路模型是十分理想化的模型。

这种模型反映了电路中最基本的参数关系，对于抽象出电路主要特性是十分有用的，但是，对于实际电路来说，这种模型就显得过于简单，不能真实地描述实际电路情况。

在《电子线路》课程中，我们就考虑了一些实际的电路问题，尤其在高频电路中，我们已经不能忽略电路的分布参数效应，这样使得电路模型随着使用频率增大越来越复杂，为了描述一个晶体管往往要几十个参数和几十个基本元件，即便是这样也未必能够完整地描述一个实际器件的实际电路效应。

但是在没有计算机的年代，电路模型的复杂度受人工运算水平和时间的制约。

有了计算机以后，计算机善于解决复杂的计算问题，电路模型可以根据需要做得相当复杂，甚至同一个器件在不同的温度或不同的频率下会有无数多个物理的或数学的模型。

这些模型往往还受到一些随机参数的影响，EDA技术已经替代人工处理这些电路的设计和分析问题。

计算机的电路分析必须要在数学模型的基础上建立程序化的计算机模型，模拟电路的计算机语言模型就是SPICE程序。

5.1.2 SPICE程序及其发展状况无论是进行电路设计还是电路分析，都需要建立电路模型，设计电路是通过电路模型构造实际的电路，分析电路是通过电路模型简化实际电路。

主要的电路分析有：直流电路分析、交流电路分析、暂态分析、时域分析、频域分析、各种参数分析(通用参数扫描分析、蒙特卡罗、最坏情况分析)、温度分析、噪声分析等。

对于一个复杂的电路来说，这些分析往往比较复杂，需要借助计算机分析。

如图5-1所示，计算机分析第一步是将电路的物理模型，所以电路模型建立以后，按照这个电路模型编制程序是至关重要的。

计算机分析实际上就是将电路等效为程序化模型，由计算机来处理这些程序和命令，流程如图5-1，首先确定电路模型，其次编写程序，确定分析策略，最后由计算机分析和输出分析结果。

集成电路的设计制造过程如图5-2所示，在两个流程中都需要编写程序，实际上分析是为了验证设计的正确性，提高电路设计的成品率。

104图5-1 程序模型建立和计算机分析图5-2 由物理模型到实际产品的过程SPICE是一个通用的电路仿真程序，描述模拟电路目前仍然是以SPICE程序为主。

SPICE可以分析和模拟一般条件下的各种电路特性，诸如稳态电路分析、暂态电路分析、频域分析等。

电路元件主要有电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种类型的受控源、有损和无损耗传输线、开关、均匀分布的RC传输线、五类最普通的半导体器件：二极管（diodes）、双极型晶体管（BJTs）、结型场效应管（JFETs）、金属化半导体效应管（MESFETs）, 金属氧化半导体场效应管（MOSFETs）等。

这里简述一下SPICE的历史。

1969-1970年美国加州大学柏克莱分校的Roher教授和他的课题组发明的电路分析程序CANCER（Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation）；1970-1972年，Roher 和Nagel将CANCER开发成为一个通用的电路仿真器。

1972年出版了SPICE1版本。

1975年Cohen按照Nagel 的研究得到了SPICE2A 版本。

1976 年SPICE2D版本建立了新的 MOS模型。

1979年 R. Newton 出版了SPICE2E 版本，1980年ASV 出版了 SPICE2G。

1985年3月推出了SPICE 3，1986年5月推出了SPICE3A 7版本，这是一种交互式的电路模拟程序。

其优点是用户在运行输入语句后，SPICE 3再执行用户所要求的分析。

用户需分析的语句可随时用人机对话方式输入，使电路分析更灵活。

版本的更新主要在于电路分析功能的扩充、算法的完善和元器件模型的更新和增加。

但从2G.5版本至现在的每个版本都属于局部的变动。

SPICE在1988年已定为美国国家工业标准。

SPICE3是以SPICE2G6为基础用C语言写成，在图形功能方面得到增强。

它除了具有SPICE2所有优点外，还引入了短沟道MOSFET BSIM模型和GaAs MESFET模型。

目前最新的版本是SPICE3F5。

SPICE3F5 大大改进了原来SPICE的功能，通常也称SPICE3F5为 BSpice。

另外在美国空军经费支持下，开发了XSpice。

XSpice是对SPICE的改进，其中包含专门的建模子系统。

BSpice与XSpice的结合可以支持数字和模拟混合仿真。

按照SPICE的程序内核，很多公司根据不同的工具软件设计需要对其进行了适当改进，分别适合于不同的工具和平台（DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX等）。

最著名的有用于原Avant！公司的HSPICE（现在为Synopsys公司所有），Cadence公司的Pspice A/D，HSPICE用于工作站UNIX系统，PSPICE用于PC机的WINDOWS系统。

他们都分别在UNIX和WINDOWS系统中发展了SPICE功能。

另外还有Smartspice、SBTSpice、TSpice、Ispice、Spectre、Multisim等。

SPICE程序已经是事实上的模拟电路设计和仿真标准，本书采用Smartspice或Pspice A/D进行仿真。

在利用SPICE工具进行电路仿真必须有两个条件，一个是根据器件物理结构建立起来的模型库，另一个是按被仿真电路信息编写的SPICE输入文件，最后可以仿真出按照特定结构设计的电路特性，如图5-3所示。

因此在利用SPICE进行仿真时不仅需要SPICE程序，还需要特定的功能仿真库。

功能库模型一般有器件厂家提供。

105图5-3 SPICE 工具进行电路仿真条件和结果5.1.3 电路模型举例——双极性晶体三极管电路模型电路模型在不同的工作环境下具有不同的模型，这些环境包括信号的大小、频率的高低、温度的高低等。

为了进一步理解电路模型的概念，这里以双极型三极管电路模型为例进行简单的电路模型介绍。

在电路分析和设计中，为了分析含有三极管的电路，需要建立三极管的电路模型，也叫做三极管等效电路。

三极管的电路模型(等效电路)被分为低频小信号、低频大信号、高频3种典型的电路模型，其中最常用的就是低频小信号电路模型。

1、低频小信号模型低频小信号是分析和考察电子器件的—个简化分析概念，其定义如下：低频——指电路信号频率远小于三极管工作频率。

小信号——小信号的定义包括两个方面：①输入信号电压幅度的变化使三极管基极电流变化的范围较小，基极电流的变化可以近似为线性。

②上述基极电流所对应的输出处于放大区。

这时的输入信号就叫做小信号。

可以看出，小信号时三极管的输人和输出特性可以被看成是线性的。

低频和小信号简化处理后，三极管就可以被看成是一个线性器件。

三极管在低频小信号状态下工作时的特点是：①结电容和分布参数的作用不明显，在电路分析和设计时可以不考虑。

是低频条件限制的结果。

②由于输入信号的幅度工作范围小(v i 的变化范围小)，因此可以认为输入信号基本没有非线性失真，三极管的输入电阻可以被认为是常数。

而集电极电流也将随基极电流线性变化。

这是小信号限制的结果。

在实际应用中，为了保证电路的线性特性，必须利用各种方法使电路中的三极管处于低频小信号工作状态。

三极管的小信号模型分为交流低频小信号模型和直流小信号模型。

1）交流低频小信号模型通过对三极管结构特性的分析可知，当使用小信号概念时，经过简化可以得到三极管小信号的电路模型如图5-4所示，这个模型叫做混合π模型。